DE1208082B

DE1208082B - Gesinterter Reibwerkstoff auf Eisenbasis

Info

Publication number: DE1208082B
Application number: DEJ26180A
Authority: DE
Inventors: Josef Schloemer; Guenter Gerloff
Original assignee: Jurid Werke GmbH
Current assignee: Federal Mogul Bremsbelag GmbH
Priority date: 1964-07-09
Filing date: 1964-07-09
Publication date: 1965-12-30
Also published as: US3306715A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

C 22c

Deutsche Kl.: 40 b-39/54

Nummer: 1208 082

Aktenzeichen: J 26180 VI a/40 b

Anmeldetag: 9. Juli 1964

Auslegetag: 30. Dezember 1965

Die vorliegende Erfindung betrifft einen gesinterten Reibwerkstoff auf Eisenbasis, der auch bei extrem hohen Wärmebeanspruchungen, hohen Gleitgeschwindigkeiten und bei hohen Flächenpressungen eine konstant bleibende Reibungszahl aufweist und gegenüber bekannten Reibwerkstoffen wesentlich einfacher und ohne besondere Hochtemperaturöfen herstellbar ist.

In den bekannten Reibwerkstoffen auf Metallbasis verwendet man üblicherweise gesinterte Bleibronzen mit Zusätzen an Trocken-Schmiermitteln und sogenannten Reibstützern. Als Trockenschmiermittel eignen sich insbesondere Graphit und Molybdändisulfid, wohingegen zur Erhöhung der Reibungszahl keramische und mineralische Zusatzstoffe besonders geeignet sind. Die genauen Zusammensetzungen der Reibwerkstoff weichen sehr stark ab und werden weitgehend durch den späteren Anwendungszweck bestimmt.

Schon seit längerer Zeit sind Versuche bekanntgeworden, gesinterte Reibwerkstoffe auf Eisenbasis herzustellen. Der Anreiz zu diesen Entwicklungen ist einmal in dem relativ niedrigen Preis der verwendeten Eisenpulver, zum anderen aber auch in den reibphysikalischen Vorteilen solcher Werkstoffe zu suchen. Ganz allgemein zeigen Eisenreibwerkstoffe ein wesentlich geringeres Wärmefading, d. h. Abfall der Reibungszahl bei steigender Temperatur als Reibwerkstoffe auf Bronze- bzw. Kupferbasis.

In der Vergangenheit hat es nicht an Versuchen gefehlt, das Kupfer bzw. die Kupfer-Zinn-Basis durch Eisen zu ersetzen. Neben den rein finanziellen Betrachtungen stehen aber doch die technischen Belange im Vordergrund. Eisen besitzt auf Grund seines um rund 500⁰C höheren Schmelzpunktes, als vergleichsweise Kupfer, eine höhere Wärmebeständigkeit im ganzen gesehen und in Anwendung auf die reibphysikalische Bewertung des Werkstoffes. Das Wärmefading eines gesinterten Eisen-Reibwerkstoffes ist danach sehr gering. Um so erstaunlicher dürfte darum die Tatsache sein, daß gesinterte Eisen-Reibwerkstoffe in der industriellen Praxis nur wenig zu finden sind.

Als Ursache dafür, daß sich die Eisen-Reibwerkstoffe noch nicht in stärkerem Maße einführen ließen, sind zwei Gründe anzuführen:

Erstens die starke Neigung von solchen Reibwerkstoffen zum »Fressen« und
zweitens die schwierige Verarbeitung bzw. Herstellung.

Dem Fachmann ist das Verhalten einer Reibpaarung »Eisen auf Eisen« (Stahl auf Stahl) bekannt,

Gesinterter Reibwerkstoff auf Eisenbasis

Anmelder:

Jurid Werke G. m. b. H., Reinbek

Als Erfinder benannt:

Josef Schlömer, Kuchen/Fils; Günter Gerloff, Reinbek

wobei diese Teile ohne ein festes oder flüssiges Schmiermittel sofort »fressen« und sich gegenseitig zerstören. In einem gesinterten Reibwerkstoff auf Eisenbasis muß darum sehr viel trockenes Schmiermittel vorhanden sein, um diese Erscheinung mit Sicherheit zu unterbinden. In der Regel sind dazu

ao Graphitzuschläge, wie Graphitpulver, in der Menge von etwa 20 Gewichtsprozent bzw. 50 bis 60 Volumprozent notwendig. Bei so hohen Anteilen an nichtmetallischen Komponenten in der Reibbelagmischung sinkt die Festigkeit des gesinterten Belages sehr stark ab, so daß Zerreißfestigkeiten von 1,0 kg/mm² und weniger durchaus zu erwarten sind. Der bei der Reibung auftretende Verschleiß des Belages übersteigt infolgedessen die technisch vertretbare Menge. Auf der anderen Seite verkleinert sich auch die Reibungszahl durch die hohen Zuschläge an Graphit so stark, daß für einen derartigen Werkstoff kein . Interesse in der Technik besteht. Nicht zuletzt ist auch die Verarbeitung solcher Werkstoffe schwierig und unwirtschaftlich. Durch Zugabe an größeren Mengen an sogenannten Reibstützern kann die Reibungszahl wieder auf ein brauchbares Niveau angehoben werden. Diese reibwerterhöhenden Zuschläge sind keramische und/oder mineralische Stoffe, die sich beim Sintern in der metallischen Grundmasse völlig indifferent verhalten und zu der inneren Festigkeit nicht beitragen; vielmehr wird die Anzahl der metallischen Brücken zwischen den einzelnen Metallkörpern bzw. Pulverteilchen, statistisch gesehen, vermindert. Die Reibstützer wirken damit in Richtung eines noch höheren Verschleißes, als er durch die großen Graphitzuschläge ohnehin schon gegeben ist.

Man hat nun versucht, durch legierungstechnische

Maßnahmen die notwendige innere Festigkeit zu steigern. Dazu gehören das Einmischen von feinem Kupferpulver bis zu 20 Gewichtsprozent zu der Reibmischung oder das Tränken des fertiggesinterten Belages in einer Kupferschmelze, wie Bronze oder

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anderen weichen Metallen bzw. solchen mit niedrigem durch Tränken des vorgesinterten Eisenskeletts erheb-

Schmelzpunkt. Die Resultate waren wenig befriedi- liehe Festigkeitssteigerungen erzielt werden. Ent-

gend. sprechende Reibwerkstoffe sind bekanntgeworden,

Ein anderer Weg zur Erhöhung der Festigkeit wenngleich eine breitere Anwendung dieser Werkbesteht darin, den Reibwerkstoff porös zu sintern 5 stoffe bis heute noch ausgeblieben ist. Der Verschleiß und anschließend mit einer Harzlösung zu tränken solcher Reibwerkstoffe liegt zu hoch, und die Rei- und auszuhärten, oder ein grobes Granulat aus dem bungszahl ist bei den verschiedensten Prüfbedin-Sintereisenreibwerkstoff herzustellen und dieses mit gungen zu wenig konstant. Zum Teil konnten eine Harz einzubinden. Um eine ausreichende Festigkeit sehr starke Gegenauftragung und auch Gegenangriff zu erzielen, sind Harzmengen von etwa 20 Gewichts- io festgestellt werden. Ferner war das Wärmefading prozent notwendig. Wegen des geringen spezifischen sehr groß. Eine Behebung der Nachteile durch Zugabe Gewichtes von synthetischen Harzen, etwa 1,2 g/cm³, von größeren Anteilen an Schmiermitteln und Reibliegt der Volumenanteil entsprechend zwei- bis dreimal stützern führt zwar zu einem günstigeren Reibverso hoch. Außerdem gehen die für einen Sintereisen- halten, ist aber für die Praxis nicht ausreichend, reibwerkstoff charakteristischen Eigenschaften durch 15 Die üblichen keramischen oder mineralischen so hohe organische Bindemittelzuschläge verloren. Reibstützer entfalten ihre volle Wirksamkeit erst bei

Durch den Einsatz von Molybdändisulfid an Stelle relativ hohen Anteilen in der Reibstoffmischung,

von Graphit versprach man sich ebenfalls eine Ver- Darum wurde schon vorgeschlagen, Siliziumkarbid

besserung. Da MoS₂ einen hochwirksamen Trocken- als Reibstützer einzusetzen. Aus der sehr hohen

Schmierstoff darstellt, ist theoretisch betrachtet auch 20 Härte von Karbiden schlechthin resultiert eine sehr

mit wesentlich kleineren Zuschlagen der gleiche starke Erhöhung der Reibungszahl von etwa 5 bis

Schmiereffekt zu erzielen wie mit Graphit. In der 15% bei nur geringen Zuschlagen. Allerdings wird

Praxis hat sich diese Hypothese nicht bestätigen der hohe Verschleiß vom Reibwerkstoff auf das

lassen, vielmehr liegt der Reibungsverschleiß höher Gegenmaterial verlagert, was in den meisten Fällen

als bei einem vergleichbaren Reibwerkstoff auf Eisen- 25 nicht tragbar ist.

basis mit Graphit. Zum Teil ist diese Erscheinung Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin,

auf den Zerfall von MoS₂ beim Sintern zurück- die reibphysikalischen Eigenschaften von Reibwerk-

zuführen. stoffen auf Eisenbasis, insbesondere die Reibungszahl

Es ist weiter ein Verfahren bekannt, daß über die und die Verschleißfestigkeit zu erhöhen, sowie das

Bildung von FeS oder Fe₂OS₂ im Sintereisenreib- 30 Wärmefading zu vermeiden.

werkstoff ein zusätzliches Schmiermittel schafft. Die Einen solchen durch die folgende Zusammengeringe Wärmebeständigkeit von Schwefelverbindun- setzung gekennzeichneten Reibstoff liefert die Erfingen und die damit im Zusammenhang stehende starke dung:
Abhängigkeit der Reibungszahl von der Temperatur
können in der Praxis nicht akzeptiert werden. 35 ⁴O bis 60 Gewichtsprozent Eisen,

Die Festigkeit eines Mischwerkstoffes aus Metall- 25 bis 35 Gewichtsprozent Kupfer und/oder Kupferpulvern einerseits und Nichtmetallpulvern anderer- legierungen,

seits ist primär von den Korngrößen der verwendeten χ bis 5 Gewichtsprozent Metallphosphide und/

Pulver abhängig. In gleicher Weise wird auch das _oder Sulfide

Reibverhalten des Reibwerkstoffes durch die Korn- 40 3 _{bis 10} Gewichtsprozent Aluminiumsilikate,

größenverteilung der Ausgangspulver festgelegt. _,. ,_, ., *, ^ „ j, * a * ,. 1

Üblicherweise finden Pulver mh einer Korngröße ¹ ^{bls 5} Gewichtsprozent Metall- und/oder Metal-

von 0,3 bis herab zu 0,010 mm Verwendung. Je loidkarbide,

feiner der eingesetzte Graphit ist, um so feiner muß 5 bis 10 Gewichtsprozent Trockenschmiermittel,

auch das Eisenpulver sein, um die notwendige Festig- 45 2 bis 6 Gewichtsprozent Lötmetalle und/oder Le-

keit zu erzielen. gierungen mit einem Schmelzpunkt zwi-

Die Reibungszahl solcher Reibwerkstoffe liegt bei sehen 100 und 500⁰C. etwa 0,2 bis 0,3, und der Verschleiß ist vergleichbar

mit den von Werkstoffen auf Kupferbasis. Die Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft dieses Reibmetallischen Reibwerkstoffe müssen auf einem Stütz- 50 Werkstoffes besteht darin, daß die Sinterung im blech, genannt »Träger«, auf gesintert werden. Übliche Temperaturbereich von 700 bis 900⁰C vorgenommen Drucksinterofen, wie sie für die Produktion der wird.

bekannten Reibwerkstoffe benötigt werden, sind In den Diagrammen ist die Reibungszahl in Ab-

bisher nur im Temperaturbereich bis zu 900⁰C hängigkeit von den verschiedenen Prüf bedingungen,

anwendbar. Bei höheren Temperaturen ergeben sich 55 wie Flächenpressung, Gleitgeschwindigkeit und Tem-

große technische Schwierigkeiten für den Ofenbau peratur, aufgetragen. In dem Diagramm, Werkstoff 1

und damit entsprechend hohe Investitionskosten. sind die reibphysikalischen Daten eines entsprechen-

Das Hinzufügen von niedrigschmelzenden Metallen den Reibwerkstoffes mit der folgenden Analyse

oder Metallverbindungen zur Grundmischung ermög- wiedergegeben:

licht ein Sintern mit flüssiger Phase bei Temperaturen, 60

wo diese flüssige Phase auftritt. Damit kann nun 50 Gewichtsprozent Eisen,

die Sintertemperatur in gewissen Grenzen reguliert 30 Gewichtsprozent Kupfer,

werden. Jedoch müssen bei einer solchen Verfahrens- 2 Gewichtsprozent Kupferphosphid,

weise die reibphysikalischen Erfordernisse mit beritek- ₅ Gewichtsprozent Aluminiumsilikat,

sichtigt werden. So konnten bei Sintereisenwerkstoffen 65 „ _, . , ^ ,.«··.·· ι t_-j

durch Kombination mit 5 bis 20 Gewichtsprozent ³ Gewichtsprozent Sihzmmkarbid,

Kupfer oder Bronze durch Hinzufügung von ent- 7 Gewichtsprozent Graphit,

sprechenden Pulvern zur Ausgangsmischung oder 3 Gewichtsprozent Zinn.

Die Belagprobe aus diesem Reibwerkstoff wurde bei 850⁰C gesintert und anschließend auf einem sogenannten Teilbelag-Prüfstand reibphysikalisch untersucht.

Der Prüfstand ist so aufgebaut, daß zwei Proben auf die Peripherie einer umlaufenden Scheibe von etwa 400 mm Durchmesser aufgepreßt werden. Die Prüfung geschieht in Form von sogenannten Stoppbremsungen; d. h., die Scheibe wird auf die festgelegte Drehzahl mittels eines elektromotorischen Antriebes gebracht, und danach werden die beiderseits neben der Scheibe angeordneten Belagproben hydraulisch an die Scheibe gedrückt. Die hydraulische Anordnung wird als sogenannte Zange bezeichnet und ist auf einem Hebel befestigt, der sich auf einer Druckmeßdose abstützt. Die ganze Anordnung gestattet nun die genaue Bestimmung des Bremsmomentes und damit des Reibwertes. Das Gegenmaterial in der Reibpaarung ist in allen Fällen ein phosphor- und schwefelarmer Stahl mit 0,6 °/₀ C, 0,25% Si, 0,65 »Α, Mn, max. je 0,035% P und S, VDEh-Bezeichnung des Stahles: CK 60. Das Reibverhalten eines vergleichbaren metallischen Reibwerkstoffes auf Bronzebasis mit der Zusammensetzung 69% Cu, 8% Pb, 5% Sn, 8,5% Graphit, 4% SiO₂, 5,5% MoS₂ kann aus Diagramm/Werkstoff 2 ersehen werden. Bei fast übereinstimmender Reibcharakteristik und gleichem Verschleiß liegt jedoch der Rohstoffpreis für den Eisenreibwerkstoff nach Diagramm/Werkstoff 1 um 50% niedriger als der des Bronzewerkstoffes.

Aus Diagramm/Werkstoff 3 geht das Reibverhalten eines bekannten Sintereisenreibwerkstoffes hervor. Dieser Reibwerkstoff besteht im wesentlichen aus gesintertem Eisenpulver mit sehr hohen Graphitzuschlagen von rund 20 Gewichtsprozent. Der für die Beurteilung eines Reibwerkstoffes sehr wichtige meßbare Verschleiß ist bedeutend größer als derjenige der in der Erfindung beanspruchten Werkstoffe, wobei unter meßbarem Verschleiß die Abnähme der Dicke der Reibbelagschicht in der Zeiteinheit zu verstehen ist. Die Herstellung eines Reibwerkstoffes entsprechend· Werkstoff 3 ist sehr aufwendig und bedingt Sintertemperaturen von HOO bis 1150⁰C, die nach dem weiter oben Gesagten ganz spezielle und sehr aufwendige Sintereinrichtungen erfordert.

Das Reibverhalten eines weiteren bekannten Sintereisenreibwerkstoffes ist in Diagramm/Werkstoff 4 wiedergegeben. Dieser Reibwerkstoff mit folgender Zusammensetzung: 50 Gewichtsprozent Fe, 15% Cu, 14% Fe₂O₃, 6% BaSO₄, 3% SiO₂, 3% Asbest und 9% Graphit zeigt eine sehr starke Abhängigkeit von Gleitgeschwindigkeit und Temperatur, d. h. Wärmefading. Der außerordentlich große Verschleiß schließt die Verwendung eines derartigen Werkstoffes ohnehin aus.

Die besonderen Vorteile des beanspruchten Werkstoffes liegen in der wohlabgewogenen Zusammensetzung, die bei sehr gutem Reibverhalten und geringem Verschleiß eine gute Verarbeitbarkeit und Herstellbarkeit mit niedrigem Preis verbindet.

Claims

Patentansprüche:

1. Gesinterter Reibwerkstoff auf Eisenbasis, bestehend aus:

40 bis 60 Gewichtsprozent Eisen,
25 bis 35 Gewichtsprozent Kupfer und/oder Kupferlegierungen,
1 bis 5 Gewichtsprozent Metallphosphide und/

oder Sulfide,
3 bis 10 Gewichtsprozent Aluminiumsilikate,

1 bis 5 Gewichtsprozent Metall- und/oder Me

talloidkarbide,

5 bis 10 Gewichtsprozent Trockenschmiermittel,

2 bis 6 Gewichtsprozent Lötmetalle und/oder

Legierungen mit einem Schmelzpunkt zwischen 100 und 500° C.

2. Verfahren zur Herstellung des Reibwerkstoffes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterung im Temperaturbereich von 700 bis 900° C vorgenommen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

509 760/289 12.65 ® Bundesdruckerei Berlin